Pemesinan CNC Titanium untuk Struktur Aeroangkasa

Aloi titanium membentuk cabaran yang besar untuk pemesinan CNC dalam aplikasi struktur udara angkasa disebabkan oleh sifat semulajadinya seperti kekonduksian haba yang rendah dan kereaktifan kimia yang tinggi. Kajian ini menerangkan satu metodologi berstruktur untuk mengoptimumkan pemesinan CNC bagi Ti-6Al-4V, dengan fokus kepada pengurangan kehausan alat dan mencapai toleransi geometri yang ketat. Ujian pemesinan telah menggunakan pusat CNC berpaksi berbilang yang dilengkapi dengan sistem pemantauan keadaan alat (TCM) terkini. Parameter pemotongan (kelajuan, suapan, kedalaman potongan) dan strategi laluan alat telah diubah secara berpola. Keputusan menunjukkan bahawa penggunaan penyejukan krioskopik berdenyut berjaya mengurangkan kehausan tepi purata sebanyak 42% berbanding penyejukan konvensional, manakala strategi pemesinan trokoid adaptif berjaya mengurangkan masa pemesinan sebanyak 18% dan meningkatkan kekerasan permukaan (Ra) sebanyak 15% untuk komponen berdinding nipis. Analisis data mengesahkan korelasi yang kuat antara tenaga pemotongan spesifik dengan kehausan alat secara progresif. Penemuan ini memberikan strategi praktikal untuk meningkatkan kecekapan pemesinan dan kualiti komponen bagi struktur udara angkasa yang kritikal. Hadnya termasuk tumpuan hanya kepada Ti-6Al-4V; kebolehgunaan ke atas gred titanium yang lain memerlukan pengesahan lanjut.

1
Pengejaran tanpa henti terhadap prestasi dan kecekapan bahan api dalam reka bentuk aeroangkasa moden memerlukan penggunaan yang meluas aloi titanium, terutamanya Ti-6Al-4V. Nisbah kekuatan-kepada-berat yang luar biasa dan rintangan terhadap kakisan menjadikannya sesuai untuk komponen struktur kritikal seperti gear pendaratan, pendakap enjin, dan bahagian kerangka [1]. Walau bagaimanapun, sifat-sifat ini juga—terutamanya kekonduksian haba yang rendah, kekuatan tinggi pada suhu tinggi, dan kecenderungan kimia yang kuat terhadap bahan alat pemotong—menjadikan titanium sukar untuk dimesin dengan cekap dan tepat [2]. Cabaran ini muncul dalam bentuk haus alat yang cepat, keintegritan permukaan yang lemah, kejadian berpotensi berlakunya penyimpangan bahan kerja (terutamanya pada bahagian nipis), serta kos pengeluaran yang tinggi [3]. Oleh itu, pengoptimuman proses pemesinan CNC untuk struktur aeroangkasa daripada titanium tetap menjadi objektif industri yang kritikal. Kajian ini membentangkan satu metodologi praktikal dan keputusan eksperimen yang berfokus kepada mengatasi cabaran-cabaran ini melalui pengoptimuman parameter dan strategi penyejukan inovatif, bertujuan untuk menubuhkan protokol pengeluaran yang boleh dipercayai dan berkos rendah.

2 Kaedah
2.1 Reka bentuk percubaan & bahan bahan kerja
Bahan teras yang dikaji adalah plat Ti-6Al-4V (Kelas 5) yang dipanaskan, sesuai dengan spesifikasi AMS 4911L. Operasi pemesinan utama yang dikaji adalah penggilingan pinggir (berkelupas dan menyelesaikan) dan pembungkus, mewakili ciri struktur aeroangkasa yang biasa. Bahagian kerja dipasang dengan selamat menggunakan cak vakum khusus dan penjepit mekanikal strategik untuk meminimumkan getaran dan kelonggaran, terutama penting untuk geometri dinding nipis.

2.2 Peralatan dan Alat Mesin
Percubaan dijalankan pada 5-sumbu DMG MORI DMU 80 eVo pusat pemesinan CNC linear (40 kW spindle, 18,000 rpm maksimum). Alat pemotong termasuk:

• Pengeboman kasar: Pelita hujung karbida pepejal (Ø10mm, 4-flute, ZrN-dilapisi) dengan geometri helix/pitch yang berubah.

• Penamat: Penggilingan akhir karbida pepejal (Ø8mm & Ø6mm, 4-flute, dilapisi AlTiN).
  Keadaan alat (haus sisi VBmax) telah dipantau secara berterusan dengan menggunakan gabungan analisis penggunaan kuasa spindel (pemantauan terkamir Siemens Sinumerik 840D sl) dan pengukuran berkala secara luar talian melalui mikroskop digital Keyence VHX-7000. Kekasar permukaan (Ra, Rz) diukur menggunakan tolok profil Mitutoyo Surftest SJ-410. Ketepatan dimensi disahkan dengan mesin pengukur koordinat Zeiss CONTURA G2 (CMM).

2.3 Pemboleh Ubah Proses & Pemerolehan Data
Pemboleh ubah bebas utama yang diuji secara sistematik termasuk:

• Kelajuan Potong (Vc): 40 m/min - 80 m/min

• Suapan per Gigi (fz): 0.04 mm/gigi - 0.12 mm/gigi

• Kedalaman Potong Aksial (ap): 0.5 mm - 3.0 mm (penyempurnaan), 5 mm - 15 mm (pengasar)

• Kedalaman Potong Radial (ae): 0.5 mm - 6.0 mm (strategi adaptif)

• Strategi Penyejukan: Emulsi banjir konvensional (6%), Nitrogen cecair pulsed kriogenik (LN2)

• Strategi Laluan Alat: Laluan selari konvensional, Penyondol trokoidal adaptif.
  Pemboleh ubah bersandar yang diukur adalah haus pinggir (VBmax), kekasaran permukaan (Ra, Rz), tenaga pemotongan spesifik (SCE), masa pemesinan setiap ciri, dan sisihan dimensi pada ciri-ciri kritikal (ketebalan dinding, kedudukan lubang). Penghimpunan data berlaku secara langsung daripada sistem kawalan CNC (kuasa, tork, masa) dan melalui metrologi luar talian. Sekurang-kurangnya tiga replikasi bagi setiap keadaan telah dijalankan.

3 Keputusan dan Analisis
3.1 Prestasi Haus Alat
Kemajuan kehausan sisi sangat dipengaruhi oleh strategi penyejukan dan kelajuan pemotongan. Rajah 1 menunjukkan trend utama: penggunaan penyejukan LN2 kriogenik berdenyut secara ketara mengurangkan kehausan alat pada semua kelajuan pemotongan yang diuji berbanding emulsi banjir konvensional. Pada kelajuan sederhana (60 m/min), purata VBmax selepas memproses isipadu bahan piawai berkurangan sebanyak 42% dengan menggunakan penyejukan kriogenik. Kelajuan pemotongan tinggi (80 m/min) di bawah penyejukan banjir menyebabkan kegagalan alat yang teruk (bercangkuk) dalam tempoh singkat, manakala penyejukan kriogenik membolehkan pemesinan berterusan, walaupun dengan kehausan yang lebih cepat berbanding kelajuan yang lebih rendah. Analisis isyarat kuasa spindal berkorelasi tinggi dengan pengukuran VBmax secara offline, mengesahkan keberkesanan sistem TCM untuk ramalan kehausan (R² = 0.91).

3.2 Kualiti Permukaan dan Ketepatan Geometri
Kekasar permukaan (Ra) utamanya dipengaruhi oleh kadar suapan dan strategi laluan alat dalam operasi penyelesaian. Pengurangan suapan per gigi (fz) dari 0.08 mm/gigi kepada 0.05 mm/gigi telah meningkatkan nilai Ra purata sebanyak kira-kira 25%. Pentingnya, penggunaan pengehosan melingkar adaptif untuk penyelesaian dinding nipis (ap = 8mm, ketebalan dinding 1.5mm) memberikan peningkatan sebanyak 15% dalam Ra (purata 0.32 µm berbanding 0.38 µm dengan laluan selari) dan mengurangkan rintangan bahagian sebanyak 30%, seperti yang diukur oleh sisihan JPP daripada ketebalan dinding nominal (Rajah 2). Strategi ini juga berjaya mengurangkan masa pemesinan untuk ciri-ciri ini sebanyak 18% dengan mengekalkan kadar penyingkiran bahan purata yang lebih tinggi melalui kawalan keterlibatan alat yang malar.

3.3 Produktiviti dan Penggunaan Tenaga
Tenaga Pemotongan Spesifik (SCE), penunjuk utama kecekapan proses, berkurangan dengan peningkatan kadar penyingkiran bahan (MRR) seperti dijangka. Walau bagaimanapun, penggunaan penyejukan kriogenik menyebabkan SCE yang lebih tinggi sebanyak 10-15% berbanding penyejukan banjir pada tahap MRR yang setara, disebabkan oleh kos tenaga penghantaran LN2. Walaupun begitu, jangka hayat alat yang lebih panjang dan pengurangan masa bukan pemotongan (pertukaran alat, pelarasan) membawa kepada peningkatan produktiviti bersih sebanyak kira-kira 20% setiap sekeping komponen struktur kompleks, mengimbangi kekurangan SCE tersebut.

4 Perbincangan
Pengurangan ketara dalam kehausan alat yang diperhatikan dengan menggunakan penyejukan kriogenik LN2 berdenyut selaras dengan mekanisme yang telah diterapkan: LN2 berkesan menekan suhu tinggi pada zon pemotongan yang biasa berlaku semasa pemesinan titanium, seterusnya mengurangkan mekanisme kehausan adhesi dan resapan yang lazim dengan alat karbid [4, 5]. Penghantaran secara berdenyut berkemungkinan meningkatkan penembusan ke dalam antara muka alat-ngelupur sambil meminimumkan penggunaan yang tidak berfaedah. Kejayaan pengekoran trokoidal adaptif, terutamanya untuk dinding nipis, berasal daripada kekalan keterlibatan jejarian yang hampir malar dan daya pemotongan yang dikurangkan, meminimumkan pesongan alat dan getaran benda kerja [6]. Ini secara langsung membawa kepada peningkatan ketepatan geometri dan kemasan permukaan.

Satu kekangan utama kajian ini ialah tumpuanannya pada Ti-6Al-4V. Walaupun dominan, aloi titanium lain (contohnya, Ti-5553, aloi beta hampir) mempamerkan ciri-ciri kebolehmesinan yang berbeza; penemuan di sini memerlukan pengesahan untuk bahan-bahan tersebut. Selain itu, implikasi ekonomi dan persekitaran bagi penggunaan meluas LN2 kriogenik memerlukan penilaian kitar hayat yang teliti, mengimbangkan penjimatan alat pengganti dengan peningkatan produktiviti terhadap kos pengeluaran dan penghantaran LN2 serta kesannya terhadap jejak karbon.

Bagi amalan pembuatan aerospace, keputusan ini menyokong dengan kuat:

1. Melaksanakan Pemesinan Kriogenik Berdenyut: Bagi operasi pemesinan titanium yang kritikal dan berjangka panjang, terutamanya operasi mengasar dan separuh siap, untuk memaksimumkan jangka hayat alat pengganti dan kebolehpercayaan proses.

2. Mengadopsi Laluan Alat Adaptif: Khususnya strategi trokoid untuk operasi siap pada struktur aerospace berdinding nipis bagi meningkatkan integriti permukaan, ketepatan dimensi, dan keluaran.

3. Mengintegrasikan Pemantauan Keadaan Alat Pengganti: Menggunakan isyarat kuasa spindel menyediakan kaedah yang praktikal dan terkamir dengan mesin untuk meramalkan kehausan alat dan menjadualkan perubahan secara proaktif, mengurangkan risiko sisa.

5 Kesimpulan
Kajian ini menunjukkan strategi berkesan untuk meningkatkan pemesinan CNC ke atas Ti-6Al-4V bagi aplikasi struktur udara yang mencabar. Penyejukan nitrogen cecair kriogenik secara berdenyut berjaya mengurangkan kehausan alat dengan ketara, iaitu kekangan utama, membolehkan kelajuan pemotongan yang lebih tinggi dan jangka hayat alat yang lebih panjang. Laluan alat pengehosan trokoidal adaptif meningkatkan kualiti permukaan, ketepatan dimensi (terutamanya untuk dinding nipis), dan produktiviti keseluruhan berbanding laluan selari konvensional. Hubungan antara pemantauan kuasa spindal dengan kehausan alat menawarkan kaedah kawalan semasa proses yang praktikal. Penemuan ini memberikan penyelesaian yang boleh diaplikasikan secara langsung kepada pengeluar aeroangkasa yang ingin meningkatkan kecekapan, kebolehpercayaan, dan kualiti pengeluaran komponen titanium. Kajian akan datang perlu menyiasat pengoptimuman parameter penghantaran kriogenik (rekabentuk muncung, penjajaran masa denyutan), memperluaskan metodologi kepada aloi titanium berprestasi tinggi yang lain, serta menjalankan analisis keseluruhan dari segi kesan teknikal-ekonomi dan persekitaran terhadap pelaksanaan pemesinan kriogenik.